传统散热材料以金属及合金、陶瓷材料等为主，金属材料有着较高的热导率，但在封装过程中存在导电的风险；而陶瓷材料绝缘性好，强度高，但热导率较差，随着装备小型化、轻量化的要求，以热导率/密度(λ/ρ)的比值成为评判材料散热性能的新参数。以Kovar、Invar、氧化铝为代表的材料λ/ρ较低，一般作为密封及结构材料，热性能较差；传统散热材料如金属铜、银、部分合金及SiC等，随着半导体器件的跨代发展，也越来越难以满足散热材料的高要求，λ/ρ达到铜10倍以上的金刚石材料逐渐崭露头角，有着轻质高强、超高热导率、绝缘性好等其他材料难以企及的优势，受到了学术界和产业界的广泛关注。

金刚石微粉

目前，人造金刚石主要存在高温高压法（HPHT法）及化学气相沉积法（CVD法）2种制备方法。

HPHT法主要用于单晶块体颗粒金刚石的制备，由于制备过程采用金属催化剂且含较多氮杂质，传统HPHT法制备金刚石多成黄色小颗粒状，随着产量及制造水平的提升，部分无色宝石级HPHT金刚石已进入市场，但颗粒尺寸仍较小，无法满足各形态的散热需求。而CVD法中的微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD法）制备的金刚石具有生长工艺稳定、纯度高、可大面积制备易成膜、热导率高等优点，因此被广泛用作雷达组件等超高热流密度条件下的散热材料。

MPCVD金刚石

目前国内人造金刚石产量达全球95%以上，但主要为HPHT金刚石，而“发展和生产电子器件用金刚石衬底或薄膜技术”受到国外的限制，因此，发展自主知识产权的MPCVD设备是金刚石散热产业化的关键。

MPCVD装备研发现状

MPCVD是目前公认制备高品质金刚石的方法，其基本原理是将磁控管产生的2.45 GHz微波经矩形波导管导入石英管中，H₂、CH₄混合气体在强电场作用下发生解离，分解为原子氢、甲基等20余种不同碳氢基团，其中原子氢及甲基直接参与金刚石生长，扩散至基体表面形核及生长，从而实现金刚石薄膜的沉积。

不过由于MPCVD所使用的功率和气压较低(300~700 W、1~8kPa)，因此金刚石生长速率一般不足3μm/h，远不足以达到产业化批量生产及应用的要求，主要存在以下问题：

（1）微波谐振腔设计优化不足，导致腔体内部电场强度低，电离困难，等离子体密度低，生长速率偏慢；

（2）局域电场强度小导致等离子体电离区域小，又因微波场强集中区域为受限于2.45 GHz微波半波长61.2 mm，难以扩大沉积面积；

（3）样品冷却困难，提高功率密度过程中热量积聚于样品，若要保持生长适宜温度，需及时将热量导出，样品连接及冷却尤为重要。

于是为进一步提高金刚石品质和生长速率，又发展出了多种形式的MPCVD金刚石生长系统，根据沉积腔体的结构可分为：石英钟罩式、圆柱金属谐振腔式、环形天线(CAP)式、椭球谐振腔式以及一些其他类似的结构形式。

MPCVD设备

从MPCVD金刚石生长系统的发展历程可以看出，该系统设计的核心目标是实现大尺寸均匀高密度等离子体稳定激发，同时应保证等离子体贴近衬底基座且无次生等离子体对石英窗口的刻蚀。国内北京科技大学、武汉工程大学、西安交通大学等单位均开展了MPCVD金刚石化学气相沉积系统的研制工作，并进行了金刚石生长制备，近年来优化了能量密度及均匀性，但部分设备仍存在石英刻蚀、控温困难等限制高品质金刚石沉积的关键问题。

此外，微波频率的稳定性、微波能量的单一性问题也是研究需要攻克的方向。随着GaN器件的发展，第3代半导体固态微波源即将取代磁控管，成为大功率高稳定微波源模块化、小型化的必然选择。同时，多束能量耦合激发等离子体如射频、激光等能量的加入也将为MPCVD设备开启新篇章。

GaN器件在微波射频等领域的应用

金刚石导热材料的应用

1.单晶超高导热金刚石材料

单晶金刚石是金刚石材料体系中热导率最高的，因其为典型的共价键晶体，晶格非谐振动弱，声子平均自由程长，传输速度快，因此热导率极高。

单晶金刚石用作散热主要有2种方式，一种是直接用作替代外延衬底，原位生长材料制备器件，通过器件有源区与金刚石紧密接触利用金刚石超高的热导率将热量均匀分布到衬底中；另一种是在单晶金刚石结构中加入微通道结构，利用流体将内部热量带出，达到降温的目的。

（1）单晶金刚石衬底外延器件

单晶金刚石表面外延器件是随着分子束外延技术(MBE)和金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)的发展而兴起。采用单晶金刚石异质外延单晶GaN，由于金刚石优异的导热性能，相比传统SiC衬底可大幅降低器件热阻，同时表面粗糙度低，光学性能良好，可提高外延GaN器件的性能。

金刚石及 SiC 基 GaN HEMTs器件性能对比测试

但是，单晶金刚石基器件仍面临着外延层晶格常数及热膨胀系数差距大，单晶衬底难以大尺寸批量制备，以及成本过高等难题，待异质外延单晶金刚石质量及产能突破后发展潜力巨大。

（2）单晶金刚石微通道散热

将高热流密度器件采用金刚石衬底，提升面内均热效果，结合微流道，将热量更快导出，必然将带来更高的散热效率，然而由于金刚石难以加工，一直以来金刚石微流道散热研究进展较为缓慢。

采用飞秒激光加工出微槽，相比于传统聚焦离子束(FIB)和反应离子刻蚀(RIE)方法，可以更快更方便地加工三维结构；也有采用金属掩膜过渡生长的方法，在金刚石表面利用金属制备掩膜版，金刚石生长过程中会产生横向外延过程(ELO)覆盖金属掩膜，从而形成金刚石槽道，可开发应用于雷达功率组件的单晶金刚石微流道散热器，这些对雷达组件、高能数据中心等超高热流密度应用场景发展有着极大推进作用。

金刚石及微流道显微形貌

2.多晶金刚石材料

目前，将金刚石作为功率器件的热沉或衬底目前已经报道了多种技术形式，其中主要有：基于衬底转移技术的金刚石键合，基于金刚石钝化层的低温沉积以及金刚石上的器件外延生长。

由于键合技术作为一种更为灵活的并行工艺，因此对于大功率半导体器件散热更具有吸引力。但早期的键合实验一般在800℃高温进行，并且大尺寸高导热单晶金刚石尚未制备，且需要引入低热导率的界面键合材料，从而导致器件性能优势无法充分发挥。现阶段，多晶金刚石与Si、GaN、Ga₂O₃等的室温键合已经通过表面活化键合(SAB)技术实现，从而大大降低了器件与金刚石之间的热膨胀失配。在各种电子组件中的互连以及在激光设备中产生尺寸稳健的接合或高功率设备的热管理方面具有广阔的应用前景。

采用表面活化键合(SAB)方法在室温下制备GaN/金刚石异质界面

3.纳米金刚石材料

纳米金刚石膜材料用作散热一般为高热流密度器件钝化层，传统器件一般采用氮化硅为钝化层，防止外界环境波动对功能层的影响，但热导率极低，若采用金刚石材料替换传统钝化层，可在器件表面进行均热，为器件增加一条导热通路，提升器件表面均温性能。

纳米金刚石钝化器件及显微照片

总结

单晶金刚石作为衬底材料仍存在着尺寸受限、价格高昂的缺点，这与生长设备息息相关，也是产业研究的重点；目前单晶外延GaN材料仍无法大面积实现，电性能也有所降低，GaN沉积技术日趋完善，实现大面积GaN高质量外延，提高电学特性是其发展方向。大尺寸多晶金刚石的键合及纳米金刚石钝化在器件中的应用较为相似，存在经济性好、制备流程简单、可大面积制备的优点，但是其性能受界面热阻的影响较大，高界面热阻限制了高热导率带来的增益，如何有效测试界面热阻，优化连接过程，改善异质连接状态，降低界面热阻至关重要，也是现在研究的热点。

因此，解决上述材料问题，发展配套装备技术，将为金刚石高效散热提供更广阔的应用前景，也有望推进以GaN为代表的第3代半导体器件性能，更进一步接近理论极限。

参考来源：

1.微波等离子体化学气相沉积法合成高导热金刚石材料及器件应用进展，赵继文、郝晓斌、赵柯臣、李一村、张森、刘康、代兵、郭怀新、韩杰才、朱嘉琦（硅酸盐学报）；

2.MPCVD单晶金刚石高速率和高品质生长研究进展，李一村、郝晓斌、代兵（人工晶体学报）；

3.异质外延单晶金刚石的研究进展，王伟华、代兵、王杨等。

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